CN110285964B - 一种风力发电机齿轮箱油液在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种风力发电机齿轮箱油液在线监测系统，包括风电齿轮箱油液监测液压回路、油液数据监测模块、油液监测数据采集处理模块、风电高空机舱实时监控显示模块、远程无线地面监控以及故障诊断数据库。本发明通过设计风电齿轮箱油液监测液压回路，以PLC及相关扩展模块为核心，全面监测油液磨粒、水分、粘度、温度、液位、压力等特征数据，并进行综合分析处理；在融入基于油液监测特征的故障诊断数据库的基础上，实现风电齿轮箱状态诊断。本发明通过对风电齿轮箱油液数据的获取与分析实现风电齿轮箱状态实时在线监测，对风力发电机组的日常维护具有重要意义。

Description

一种风力发电机齿轮箱油液在线监测系统

技术领域

本发明公开了一种风力发电机齿轮箱油液在线监测系统，属于机电控制及状态智能监测。

背景技术

随着风能作为一种新型的可再生能源在国内外得到广泛运用，风力发电机得到全方面的发展。风力发电机场通常建立在山区、戈壁、草原、近海等高空中，长期受无规律的强阵风、极端温差的影响，风力发电机常因发生故障而停机检修，又因为机舱内部空间狭小，维修成本十分高昂。齿轮箱是风力发电机组中最易受损的器件。齿轮箱的故障在早期如果不能及时发现并解决，极有可能随着风机长期工作逐步演变成严重故障，又因为齿轮箱一般安装在高空中，如果对齿轮箱拆卸返厂维修，吊装工作费事费力，成本昂贵，因此建立实时的监测系统对齿轮箱进行监测和故障诊断具有十分重要的意义。

发明内容

本发明主要目的在于提供一种风力发电机齿轮箱油液在线监测系统，实现对风电齿轮箱中油液状况的在线监测，并通过监测数据采集、分析、处理以及结果显示，达到利用油液理化性质和污染的变化反映油液以及风电齿轮箱状态的目的。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种风力发电机齿轮箱油液在线监测系统，包括：

风电齿轮箱油液监测液压回路，用于对油液监测回路进行流量控制，并提供监测风电齿轮箱油液参数的接口；

油液数据监测模块，用于对风电齿轮箱油液中铁或非铁颗粒，油液中含水率，油液粘度，油液温度，油液液位和油液压力进行监测；

油液监测数据处理模块，用于获取油液监测数据并进行数据处理，获得风电齿轮箱油液监测特征并进行储存；

风电高空机舱实时监控显示模块，通过串口与PLC模块连接，用于实现各传感器监测数据的存储和显示；

远程无线地面监控系统在PLC模块基础上，连接CP234.1以太网模块，并连接HJ8900远程控制模块，建立无线以太网用于风电高空机舱和地面监控的远程通讯；

以及故障诊断数据库，用于建立油液监测特征和风电齿轮箱典型故障的对应关系，基于油液实时监测特征数据，对当前风电齿轮箱状态进行诊断。

进一步的，所述风电齿轮箱油液监测液压回路由依次连接的可控电动机，齿轮泵，可控比例阀，磨粒传感器接口，温度传感器接口，过滤器，压差继电器，水分传感器接口，热交换器冷却单元，粘度传感器接口，压力控制器，液位传感器接口和压力传感器接口构成；

所述可控电动机用于控制齿轮泵工作，所述可控比例阀用于实现油液监测回路流量控制，所述过滤器用于过滤油液中的干扰杂质，所述压差继电器用于检测过滤器是否堵塞，所述热交换器冷却单元用于对油液进行降温处理，所述压力控制器用于实现回油压力控制，油液通过回油口返回至风电齿轮箱；各传感器接口接入相应的传感器，用于齿轮箱油液多参数监测。

进一步的，所述油液数据监测模块包括：

在线磨粒监测传感器，采用ANALEXrs电磁式在线磨粒传感器，安装在风电齿轮箱油液监测回路的磨粒传感器接口上，用于油液中铁或非铁颗粒的监测和计数，并提供颗粒的大小与形态分布信息，发现并进行故障报警；

在线水分监测传感器，基于电阻化学抗谱设计，安装在风电齿轮箱油液监测回路的水分传感器接口上，用于监测油液中含水率；

在线粘度监测传感器，采用JCV.1000粘度传感器，安装在风电齿轮箱油液监测回路的粘度传感器接口上，用于监测油液粘度；

在线温度监测传感器，采用PT100贴片温度传感器，安装在风电齿轮箱油液监测回路的温度传感器接口上，所述在线温度监测传感器接入回路油液中，用于监测油液温度；

在线液位监测传感器，采用MPM4700型智能液位变送器，安装在风电齿轮箱油液监测回路的液位传感器接口上，所述在线液位监测传感器贯穿安装于风电齿轮箱壳体，用于监测风电齿轮箱内部油液液位；

以及在线压力监测传感器，采用HDA4400系列压力传感器，安装在风电齿轮箱油液监测回路的压力传感器接口上，所述在线压力监测传感器贯穿安装于风电齿轮箱壳体上，用于监测风电齿轮箱中油液压力。

进一步的，所述油液监测数据处理模块由PLC模块和模拟量采集扩展模块构成；

所述在线水分监测传感器和在线粘度监测传感器通过RS485串口与PLC模块进行硬件连接，并建立基于MODBUS的主从控制模式；设定所述PLC模块为主机，所述在线水分监测传感器和在线粘度监测传感器为从机，输出RS485 Modbus RUT协议信号，采用主从模式实现在线水分监测传感器和在线粘度监测传感器数据获取与传输；

所述在线压力监测传感器、在线液位监测传感器、在线磨粒监测传感器和在线温度监测传感器均为两线制工作，与模拟量采集扩展模块连接，实现在线压力监测传感器、在线液位监测传感器、在线磨粒监测传感器和在线温度监测传感器的数据采集；

所述PLC模块对采集数据进行滤波、异常点剔除和尺度平均处理，得到风电齿轮箱油液监测特征。

进一步的，所述风电高空机舱实时监控显示模块采用电阻式触摸屏TPC7062Ti实现。

进一步的，所述在线监测系统还包括：

参数图形化显示，用于将油液监测数据通过图画的方式呈现在触摸屏上，并给出数值、单位和报警状态信息；

综合报警，用于当监测特征超出报警门限时，呈现报警信号，并发出语音和灯光提示；支持通过故障诊断数据库建立窗口，设置优先报警顺序；

历史数据查询，用于将设定时段内的数据以表格形式调出，进行历史监控数据与历史报警记录查询；

监测结果输出，用于在触摸屏上显示风电齿轮箱的运转状况和输出诊断结果报告。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果为：

本发明能够针对风电齿轮箱油液的特征信息进行全面的集中监测和远程监测，实时准确评估风电齿轮箱的运行状态，掌握风电齿轮箱的运行状况，为预知性维护提供基础保障；有效避免风电齿轮箱故障突发、提高风电齿轮箱的运行率和可靠性。

附图说明

图1为本发明风力发电机齿轮箱油液在线监测系统结构示意图；

图2为本发明在线监测系统中风电齿轮箱油液监测液压回路结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明提供一种风力发电机齿轮箱油液在线监测系统，包括风电齿轮箱油液监测液压回路、油液数据监测模块、油液监测数据处理模块、风电高空机舱实时监控显示模块、基于以太网的远程无线地面监控系统以及基于油液监测特征的故障诊断数据库。

参见图1和图2，风电齿轮箱油液监测回路由可控电动机、齿轮泵、可控比例阀、磨粒传感器接口、温度传感器接口、过滤器、压差继电器、热交换器、冷却单元、单向阀、粘度传感器接口、水分传感器接口、压力控制器、压力传感器接口和液位传感器接口等组成；通过可控电动机控制齿轮泵工作，然后连接可控比例阀，通过调节可控比例阀实现油液监测回路流量控制，继续在油液监测回路设计磨粒传感器接口和温度传感器接口；进而连接过滤器和压差继电器，过滤器用于过滤油液中体积较大的干扰杂质，压差继电器用于检测过滤器是否堵塞；然后设计水分传感器接口，连接热交换器冷却单元，对油液进行降温处理，然后连接粘度传感器接口和压力控制器，压力控制器实现回油压力控制，油液通过回油口返回至风电齿轮箱。最终，形成风电齿轮箱油液的外部循环回路，各传感器接口接入相应的传感器，实现齿轮箱油液多参数监测。

油液数据监测模块以多种类在线监测传感器为核心，包括在线磨粒监测传感器、在线水分监测传感器、在线粘度监测传感器、在线温度监测传感器、在线液位监测传感器和在线压力监测传感器，监测数据更精细、更全面。

在线磨粒监测传感器采用ANALEXrs电磁式在线磨粒传感器，其安装在风电齿轮箱油液监测回路的磨粒传感器接口上，连接在可控比例阀之后，实现润滑油中铁或非铁颗粒的监测和计数，提供颗粒的大小与形态分布信息，并能快速发现并进行故障报警。在线水分监测传感器基于电阻化学抗谱（EIS）进行设计，其安装在风电齿轮箱油液监测回路的水分传感器接口上，FWD.2水分传感器的两极之间的阻抗随润滑油中的水分而变化，利用阻抗参数的变化并通过内部设定的运算法则得出不同时刻润滑油的含水率，该传感器具有较强的抗电磁干扰性能，连接在过滤器之后。在线粘度监测传感器采用JCV.1000粘度传感器，利用音叉谐振技术实现油液粘度监测，其安装在风电齿轮箱油液监测回路的粘度传感器接口上，连接在冷却单元和单向阀之后。在线温度监测传感器采用PT100贴片温度传感器，其安装在油液监测回路的温度传感器接口上，位于在线磨粒监测传感器之后，在线温度监测传感器接入回路油液中，通过内部电阻的变化检测油液温度。在线液位监测传感器采用MPM4700型智能液位变送器，基于压阻式精确监测油液液位，并进行密封有效防止水分渗入，在线液位监测传感器安装在油液监测回路的液位传感器接口上，其贯穿安装于风电齿轮箱壳体，测量风电齿轮箱内部油液液位。在线压力监测传感器采用具有独特补偿线路的HDA4400系列压力传感器，偏差量极小，具有较高的稳定性和较长的寿命，可直接与PLC控制系统进行连接，在线压力监测传感器安装在油液监测回路的压力传感器接口上，其贯穿安装于风电齿轮箱壳体上，实现对齿轮箱润滑系统中油液压力的监测。

油液数据监测模块将各传感器监测数据传输给油液监测数据处理模块进行分析处理。

油液监测数据处理模块以PLC模块和模拟量采集扩展模块为核心；所述在线水分监测传感器和在线粘度监测传感器通过RS485串口与PLC模块进行硬件连接，并建立基于MODBUS的主从控制模式；设定所述PLC模块为主机，所述在线水分监测传感器和在线粘度监测传感器是从机，输出RS485 Modbus RUT协议信号，采用主从模式实现在线水分监测传感器和在线粘度监测传感器数据获取与传输。所述在线压力监测传感器、在线液位监测传感器、在线磨粒监测传感器和在线温度监测传感器均为两线制工作，输出4-20mA电流信号，它们直接与模拟量采集扩展模块连接，实现在线压力监测传感器、在线液位监测传感器、在线磨粒监测传感器和在线温度监测传感器的数据采集。在初步采集在线水分监测传感器、在线粘度监测传感器、在线压力监测传感器、在线液位监测传感器、在线磨粒监测传感器和在线温度监测传感器数据后，采用PLC模块对原始采集数据进行滤波、异常点剔除和尺度平均处理，获得风力发电机齿轮箱油液监测特征，同时对结果进行储存、处理、显示控制等。

风电高空机舱实时监控显示模块基于PLC模块，采用串口连接电阻式触摸屏TPC7062Ti，用于风电齿轮箱高空机舱实时数据存储、显示和分析诊断。远程无线地面监控系统在现有PLC模块基础上，连接CP234.1以太网模块，并连接HJ8900远程控制模块，建立无线以太网实现高空机舱和地面监控的远程通讯，并基于触摸屏TPC7062Ti实现各传感器所监测数据的存储和显示，并基于油液监测特征的故障诊断数据库进行分析诊断。

所述风电高空机舱实时监控显示模块和远程无线地面监控系统基于电阻式触摸屏TPC7062Ti进行人机交互，并采用组态软件实现各传感器所监测数据的存储和显示，并基于油液监测特征的故障诊断数据库进行分析诊断，供工作人员记录比对，达到利用油液理化性质和污染变化反映油液以及风电齿轮箱状态的目的。

所述在线监控系统融入基于油液监测特征的故障诊断数据库，基于油液磨粒的大小与形态分布信息、油液温度、油液粘度大小、油液水分比例、齿轮箱液位和油液压力等特征数据，建立各监测特征和齿轮箱典型故障的对应关系，在此基础上，基于油液实时监测特征数据，即可实现当前风电齿轮箱状态分析诊断。

所述在线监控系统另外可实现监测数据存储、油液循环与监测动画显示、参数图形化显示、综合报警、历史数据查询、监测结果输出。其中，参数图形化显示是指，将数据通过图画的方式呈现在触摸屏上，并给出数值、单位、报警状态等信息；综合报警是指，当所述监测特征超出报警门限，将呈现报警信号，并发出语音和灯光提示，并可通过故障诊断数据库建立窗口，设置各特征参数和各故障类型的优先报警级顺序；历史数据查询是指，可通过自主选择将设定时段内的数据以表格形式调出，完成历史监控数据与历史报警记录查询功能；监测结果输出是指，综合报警功能触发后，在对油液监测异常数据充分分析基础上，在触摸屏提供风电齿轮箱的运转状况和诊断结果报告。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种风力发电机齿轮箱油液在线监测系统，其特征在于，包括：

风电齿轮箱油液监测液压回路，用于对油液监测回路进行流量控制，并提供监测风电齿轮箱油液参数的接口；所述风电齿轮箱油液监测液压回路由依次连接的可控电动机，齿轮泵，可控比例阀，磨粒传感器接口，温度传感器接口，过滤器，水分传感器接口，热交换器冷却单元，粘度传感器接口，压力控制器，液位传感器接口和压力传感器接口构成；所述可控电动机用于控制齿轮泵工作，所述可控比例阀用于实现油液监测回路流量控制，所述过滤器用于过滤油液中的干扰杂质，所述热交换器冷却单元用于对油液进行降温处理，所述压力控制器用于实现回油压力控制，油液通过回油口返回至风电齿轮箱；各传感器接口接入相应的传感器，用于齿轮箱油液多参数监测；

压差继电器，用于检测过滤器是否堵塞；

油液数据监测模块，用于对风电齿轮箱油液中铁或非铁颗粒，油液中含水率，油液粘度，油液温度，油液液位和油液压力进行监测；

油液监测数据处理模块，用于获取油液监测数据并进行数据处理，获得风电齿轮箱油液监测特征并进行储存；所述油液监测数据处理模块由PLC模块和模拟量采集扩展模块构成；

风电高空机舱实时监控显示模块，通过串口与PLC模块连接，用于实现各传感器监测数据的存储和显示；

远程无线地面监控系统在PLC模块基础上，连接CP234.1以太网模块，并连接HJ8900远程控制模块，建立无线以太网用于风电高空机舱和地面监控的远程通讯；

以及故障诊断数据库，用于建立油液监测特征和风电齿轮箱典型故障的对应关系，基于油液实时监测特征数据，对当前风电齿轮箱状态进行诊断。

2.根据权利要求1所述的一种风力发电机齿轮箱油液在线监测系统，其特征在于，所述油液数据监测模块包括：

在线磨粒监测传感器，采用ANALEXrs电磁式在线磨粒传感器，安装在风电齿轮箱油液监测回路的磨粒传感器接口上，用于油液中铁或非铁颗粒的监测和计数，并提供颗粒的大小与形态分布信息，发现并进行故障报警；

在线水分监测传感器，基于电阻化学抗谱设计，安装在风电齿轮箱油液监测回路的水分传感器接口上，用于监测油液中含水率；

在线粘度监测传感器，采用JCV.1000粘度传感器，安装在风电齿轮箱油液监测回路的粘度传感器接口上，用于监测油液粘度；

在线温度监测传感器，采用PT100贴片温度传感器，安装在风电齿轮箱油液监测回路的温度传感器接口上，所述在线温度监测传感器接入回路油液中，用于监测油液温度；

在线液位监测传感器，采用MPM4700型智能液位变送器，安装在风电齿轮箱油液监测回路的液位传感器接口上，所述在线液位监测传感器贯穿安装于风电齿轮箱壳体，用于监测风电齿轮箱内部油液液位；

以及在线压力监测传感器，采用HDA4400系列压力传感器，安装在风电齿轮箱油液监测回路的压力传感器接口上，所述在线压力监测传感器贯穿安装于风电齿轮箱壳体上，用于监测风电齿轮箱中油液压力。

3.根据权利要求2所述的一种风力发电机齿轮箱油液在线监测系统，其特征在于，

所述在线水分监测传感器和在线粘度监测传感器通过RS485串口与PLC模块进行硬件连接，并建立基于MODBUS的主从控制模式；设定所述PLC模块为主机，所述在线水分监测传感器和在线粘度监测传感器为从机，输出RS485Modbus RUT协议信号，采用主从模式实现在线水分监测传感器和在线粘度监测传感器数据获取与传输；

所述在线压力监测传感器、在线液位监测传感器、在线磨粒监测传感器和在线温度监测传感器均为两线制工作，与模拟量采集扩展模块连接，实现在线压力监测传感器、在线液位监测传感器、在线磨粒监测传感器和在线温度监测传感器的数据采集；

所述PLC模块对采集数据进行滤波、异常点剔除和尺度平均处理，得到风电齿轮箱油液监测特征。

4.根据权利要求1所述的一种风力发电机齿轮箱油液在线监测系统，其特征在于，所述风电高空机舱实时监控显示模块采用电阻式触摸屏TPC7062Ti实现。

5.根据权利要求1所述的一种风力发电机齿轮箱油液在线监测系统，其特征在于，所述在线监测系统还包括：

参数图形化显示，用于将油液监测数据通过图画的方式呈现在触摸屏上，并给出数值、单位和报警状态信息；

综合报警，用于当监测特征超出报警门限时，呈现报警信号，并发出语音和灯光提示；支持通过故障诊断数据库建立窗口，设置优先报警顺序；

历史数据查询，用于将设定时段内的数据以表格形式调出，进行历史监控数据与历史报警记录查询；

监测结果输出，用于在触摸屏上显示风电齿轮箱的运转状况和输出诊断结果报告。

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